大比高露天礦山數字工廠建設技術研究

程岱山，顏威山

（酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司西溝礦，甘肅 嘉峪關 735100）

數字工廠是基于計算機模擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，涵蓋生產各環節的設備、過程的自動化、數字化和智能化，近年來隨著科技的不斷發展[1]，國內外工業逐步實現機械化向自動化、自動化向智能化的轉型升級，尤其是在生產密集型的產業，但是礦山行業普遍存在“山高路遠、點多面廣”等特點，且因礦山建礦久遠，設備落后等特點，其數字化、智能化建設進展普遍落后于其他行業，但由于傳統礦山惡劣的工作環境，其智能化建設的需求十分迫切，也是我國十四五規劃的重點要求。

1 大比高露天礦山特點

甘肅西溝礦業有限公司（簡稱西溝礦）地處祁連山北麓，礦區從采場地海拔3524m到成品輸出場海拔1880m，建成兩套相對獨立的外部開拓運輸系統，分別采用汽車-平硐溜井-鐵路-膠帶和汽車-平硐溜井-膠帶聯合開拓運輸方式；膠帶系統屬國內乃至世界下運運距最長(12.2km)、落差最大(1.6km)的帶式輸送機系統[2]，屬于典型的大比高露天礦山。

西溝礦生產系統的特點是山高路遠、點多面廣，且露天及井下工藝并存，地處高海拔嚴寒地區，現場值守操作、維護人員分散，安全隱患多、風險高。利用現代化信息技術與工業技術融合[3]提升傳統礦山企業的生產和管理模式，使礦山實現信息化、數字化和智能化，提升生產和管理效能，這是傳統產業現代化升級的基本趨勢。

2 大比高露天礦數字工廠建設思路

作為傳統的露天礦山，其具有設備機械化程度高、自動化不足的特點，而數字礦山對自動化的依賴較高，通過投資進行數字化建設因費用高、回報周期長等原因，成為制約數字礦山發展的瓶頸問題。西溝礦以智慧礦山、智能礦山為目的，以信息化、數字化、智能化為抓手開展技術改造，將礦山視作一個密集型的車間，進行資源管理、生產管控、質量控制、設備運行等全礦山、全過程、全周期的數字化管理。露天礦山數字化建設以質量控制為主線，根據礦石賦存情況及在生產系統中的粒徑、品位要求，利用計算機和信息技術，在數字化的資源與開采環境下，利用智能的技術裝備，在可視化的生產過程及網絡化的信息傳輸條件下進行管理及科學決策。

3 西溝礦大比高露天礦數字工廠建設

西溝礦作為典型的大比高露天礦山，在智慧礦山、綠色礦山發展的大趨勢下，將先進傳感技術與傳統機械設備相融合，構建動態監測監控系統，通過高速數字通信網絡，做到從數據采集、處理、融合、設備跟蹤、動態定位、過程管理等全過程的一體化。

3.1 礦山數據中心

數字化礦山建設需做到數據的互通共享，傳統礦山在建設初期因缺乏統一的頂層設計，在運營過程中根據法規或礦山自身發展需求，構建開拓、運輸、破碎、篩分等分子系統，其普遍存在各系統相互獨立，存在信息孤島與技術屏障的問題，成為嚴重影響數字礦山建設的瓶頸。構建統一的礦山數據中心、集成已建子系統生產、運行及設備等過程管控與結果導向的數據，做到一套數據完全打通，為礦山資源可視化、開采方案合理化、生產指標管控精細化、調度系統智能化、生產數據信息化創造有利條件。

3.2 全方位數字條件下的露天采礦

構建三維數字模型，通過模型不斷更新地質數據及提高儲量級別，進行中長期釋放內存規劃，實現礦山貧富兼采，確保二級礦量平衡；在采剝計劃編制、分穿分爆設計、生產配礦等環節，實現人機協同，提高工作效率和質量。通過三維激光掃描技術實時更新三維模型，在三維模型上進行孔位及爆破設計，利用cors系統實現牙輪鉆三維坐標的獲取[4]及精準定位。

通過5G網絡通信技術和牙輪鉆改造，實現設備遠程操作精準定位及穿孔。爆破技術人員在三維模型下爆破設計，全程通過對數據中心數據體的科學應用，進行數字條件下的大區域爆破，提高爆破效果及質量。

3.3 全系統的三維可視化動態仿真

將傳統礦山視為一個密集型的工廠，以數字信息串聯各生產工藝，在礦山三維模型的條件下實現采礦的三維可視化，其屬于一個相對靜態的數字流，在開拓運輸、破碎篩分等環節，其工藝現狀、設備運行及礦石分布等均以各類數據信息反饋，通過三維建模及三維仿真技術使其冗余的數據以更直觀的方式呈現，是數字車間、數字工廠及數字礦山的重要手段及目的。

西溝礦以質量控制為主線，在三維模型的基礎上進行配礦工作，根據采區爆堆品位分布情況，結合溜井品位要求，自動生產配礦方案。

根據設備的運行參數，進行設備數據采集，實現溜井下方電機車遠程裝礦及遠程控制配礦工作。實時監測設備的動態參數，在遠程條件下實現膠帶系統的啟停工作，實現生產過程的遠程控制和礦量實時監測，數字化條件下控制生產。遠程控制條件下進行礦石的分儲工作，根據膠帶系統礦石品級分布情況，進行不同品級、粒徑礦石的分儲、分輸。

西溝礦建立了設備運行狀態實時監測系統，對設備溫度、振動、電流、轉矩等運行參數進行監測，通過頻譜分析判斷設備劣化情況或產生故障的原因，幫助維護人員采取措施及時消除故障，將設備檢維修由事后處理轉變為預防維修，提高檢維修人員的工作質量及設備運行效率。

3.4 全流程的生產執行動態監測

數字礦山建設的依據是數據，所有的數據均存儲于數據中心，同時在數字采礦平臺及三維可視化管理平臺中得以應用、體現，因此數據及時、準確的更新是確保數字礦山正常運轉的基礎保證。傳統的管理模式是采用大量的表格進行數據匯總，人員手動地進行整理、歸類、分析，其數據體之間的關聯性較差，導致管理技術人員工作量增大，同時效率低下。為解決此問題，西溝礦構建生產運行系統平臺，將所需數據體進行表格式設計，同時應用當前信息技術，手機APP，通過權限劃分的模式由崗位人員進行數據的上傳工作，各環節數據在數據中心自動歸類，實現數據體的自動歸類、科學劃分，各級管理技術人員實現一鍵式的信息查詢。生產執行系統具備指令下達功能，通過人機協同進行高效的辦公作業。

3.5 建設效果

西溝礦根據工藝環節，以礦石生產為主線將礦山劃分為三個虛擬的車間進行數字化建設，其中：采礦車間負責穿孔—爆破—鏟裝—礦石至溜井運輸工藝環節的生產，碎礦運輸車間負責電機車運輸（重板給料機）—粗破碎—中破碎—膠帶系統運輸工藝環節的生產，成品輸出車間負責混合礦篩分—成品礦輸送儲存—成品礦輸出，圍繞各車間工序啟動實施了生產系統數字化管控平臺、數字化條件下的大區域爆破、溜井口大塊處理遠程控制系統、鏟鉆車無人駕駛及遠程操作、電機車無人駕駛、破碎膠帶系統無人值守、破碎運輸系統鐵器自動檢測清除、汽車自助過磅、化驗室自動取樣送樣系統、空氣能熱源泵替代燃煤鍋爐供熱改造等信息化智能化建設，使西溝礦關鍵工藝數控化率達到100%，為西溝礦建設智能化礦山打下堅實基礎。

4 結束語

西溝礦以綠色、智慧礦山建設為目標，開展全方位、全流程、全業務的數字化、信息化、智能化建設。

為確保建設的科學性及合理性，通過頂層設計，將“點多面廣”的大比高露天礦山視為一個數字化工廠，采礦、破碎、運輸的三個密集型車間視為三個數字化車間進行建設，打破傳統礦山的劃分模式，以質量控制為主線構建礦山數據中心、數字采礦平臺、三維可視化管理平臺及生產執行系統平臺，通過“一中心、三平臺”把礦山全業務、全流程的數據融合起來，實現精細化管控、科學化決策，夯實智慧礦山建設基礎。